KR19980050454A - Vibration Micro Gyroscope - Google Patents

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

진동형 마이크로 자이로스코프Vibration Micro Gyroscope

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제2. Technical problem to be solved by the invention

본 발명은 압저항체을 이용하여 휨(bending) 변형으로부터 감지(sensing) 방향의 진동 크기를 측정하고, 이를 이용해 감지 방향의 변형이 상대적으로 크게 생기도록 구조체를 설계하여 우수한 감도를 가지는 진동형 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention measures the vibration magnitude in the sensing direction from bending deformation by using a piezoresistor, and designs a structure such that the deformation in the sensing direction is relatively large using the piezoelectric resistor, thereby providing a vibration type micro gyroscope having excellent sensitivity. The purpose is to provide.

3. 발명의 해결방법의 요지3. Summary of Solution to Invention

본 발명은, 상하부에 지지부가 형성되며, 상하방향으로 진동하는 외부구조물; 상기 외부구조물의 내부 중앙부에 구비되며, 가로방향으로 진동하여 외부로부터 평면에 수직한 축을 갖는 회전 각속도가 가해짐에 따라 회전속도에 비례하는 코리올리 힘을 수직방향으로 전달하는 진동질량; 상기 질량의 양측에 구비되며, 그에 가로방향 정전력을 제공하는 빗살전극; 및 상기 외부구조물의 상측 지지부 양단에 연결되며, 각기 다른 가진신호를 출력하여 진동을 발생시키도록 각각 전극이 구비된 제1 및 제2 앵커를 포함하는 진동형 마이크로 자이로스코프를 제공한다.The present invention, the upper and lower support portions are formed, the outer structure vibrating in the vertical direction; Vibration mass provided in the inner central portion of the outer structure, and transmits the Coriolis force proportional to the rotational speed in the vertical direction as a rotational angular velocity is applied to the axis of the horizontal structure and the axis perpendicular to the plane from the outside; Comb electrodes provided on both sides of the mass and providing a horizontal electrostatic force thereto; And first and second anchors connected to both ends of the upper support of the outer structure, the first and second anchors being respectively provided with electrodes to output vibration signals to generate different excitation signals.

4. 발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention

가진축과 수직한 방향으로 회전 각속도에 비례하는 진동의 크기는 압저항체를 이용하여 측정하는 것임.The magnitude of vibration proportional to the rotational angular velocity in the direction perpendicular to the excitation axis is measured using a piezoresistor.

Description

진동형 마이크로 자이로스코프Vibration Micro Gyroscope

본 발명은 미세 가공 기술(micromachining)을 이용하여 제작되는 실리콘 마이크로 자이로스코프 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon micro gyroscope sensor manufactured using micromachining.

일반적으로, 자이로스코프는 항공기, 선박 및 자동차등의 항법 장치나 관성 유도 장치에 사용되는 각속도 측정 장치로 잘 알려져 있다.In general, gyroscopes are well known as angular velocity measuring devices used in navigational devices and inertial guidance devices such as aircraft, ships and automobiles.

이중 종래의 회전형 자이로스코프는 부피가 크고 고정밀도를 유지하기 위한 가격이 높으며, 충격과 진동에 쉽게 손상되는 등의 많은 단점을 갖고 있다.The conventional rotary gyroscope has a number of disadvantages such as being bulky and expensive to maintain high precision, and being easily damaged by shock and vibration.

또한, 광섬유, 레이저등을 이용한 자이로스코프는 감도가 뛰어나지만 가격이 비싸고, 제작이 힘들며, 부피가 크다는 단점을 극복하지 못하였다.In addition, a gyroscope using an optical fiber, a laser, etc., has excellent sensitivity but has not overcome the disadvantages of being expensive, difficult to manufacture, and bulky.

한편, 자이로스코프도 고감도, 저가격, 소형화가 요구되고 있으며, 이를 해결할 수 있는 각속도 측정 소자의 요구로 인해 다른 형태의 구동 원리를 갖는 센서가 개발되고 있다. 미국의 시스트론(Systron)사에서는 압전 특성을 갖는 석영(quartz)을 음차형(tuning fork type) 보의 형태로 가공하고 코리올리 힘에 의한 변형량을 검출하는 제품을 생산하고 있다. 또한 실리콘 미세 가공을 이용하여 더욱 소형화를 이룬 각속도 소자에 관한 연구가 1993년 IEEE MEMS학회에 발표되었다(J.Bernstein et al., Digest IEEE/ASME Miroco Electro Mechanical Systems(MEMS) Workshop,1993, pp.143).Meanwhile, a gyroscope is also required to have high sensitivity, low cost, and miniaturization, and a sensor having a different driving principle has been developed due to a demand for an angular velocity measuring device capable of solving this problem. In the US, Systron manufactures products that process piezoelectric quartz in the form of a tuning fork type beam and detect the amount of deformation due to Coriolis force. In addition, a study on angular velocity devices that have been further miniaturized using silicon micromachining was published in the IEEE MEMS Society in 1993 (J. Bernstein et al., Digest IEEE / ASME Miroco Electro Mechanical Systems (MEMS) Workshop, 1993, pp. 143).

미세 가공 기술을 이용하여 제작 가능한 자이로스코프는 저가와 소형화의 요구를 만족할 수 있다. 이와 같은 표면 미세 가공 기술을 이용해 제작되는 종래의 실리콘 마이크로 자이로스코프는 구조물이 놓인 평면에 수직한 방향으로 코리올리 힘이 발생하여 구조물을 진동시키는 형태의 원리를 갖는 것이 많다. 이 경우에는 공기 감쇠의 효과와 기하학적 형태의 영향 등으로 변위가 매우 작아 감도를 떨어 뜨리는 결과를 가져오기도 하고 구조물 표면의 조도(roughness)가 정전 용량(capacitance)을 감지하는 전극에 잡음(noise)으로 작용하기도 한다. 또한, 빗살 전극으로 구동되는 기존의 마이크로 자이로스코프(각속도 센서)에서는 기계 구조물에 2자유도의 운동이 가능하도록 하여 수직 방향에 대한 정전 용량의 변화를 감지하는 원리를 이용하고 있다. 그러나 정전 용량의 변화가 10-15패러드(farad)로 너무 작아 기생 용량이나 잡음의 영향이 큰 문제점을 여전히 가지고 있다.Gyroscopes that can be manufactured using micromachining technology can meet the requirements of low cost and miniaturization. Conventional silicon micro gyroscopes manufactured using such a surface micromachining technique have a principle of vibrating the structure by generating a Coriolis force in a direction perpendicular to the plane on which the structure is placed. In this case, the displacement is very small due to the effects of air attenuation and the influence of the geometry, resulting in a decrease in sensitivity. It also works. In addition, a conventional micro gyroscope (angular velocity sensor) driven by a comb electrode uses a principle of detecting a change in capacitance in a vertical direction by enabling movement of two degrees of freedom in a mechanical structure. However, there is still a problem that the change of capacitance is so small as 10-15 farad that the influence of parasitic capacitance or noise is large.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 압저항체을 이용하여 휨(bending) 변형으로부터 감지(sensing) 방향의 진동 크기를 측정하고, 이를 이용해 감지 방향의 변형이 상대적으로 크게 생기도록 구조체를 설계하여 우수한 감도를 가지는 진동형 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, by using a piezoresistor to measure the magnitude of the vibration in the sensing direction from bending deformation, the deformation of the sensing direction is relatively large using this The purpose of the present invention is to provide a vibrating micro gyroscope having excellent sensitivity by designing a structure so as to have a high sensitivity.

도1은 평면 2자유도 진동 구조물에 압저항 센서(piezoresistive sensor)를 적용한 본 발명의 진동 자이로스코프의 일실시예 구성도;1 is a configuration diagram of an embodiment of a vibration gyroscope of the present invention in which a piezoresistive sensor is applied to a planar two degree of freedom vibration structure.

도2는 빗살 전극 사이에 불안정성이 야기되는 원리를 설명하기 위한 개략도;2 is a schematic diagram for explaining the principle of instability caused between comb teeth;

도3은 휘어진 보(beam)형태의 스프링에 압저항 센서를 적용한 본 발명의 진동 자이로스코프의 다른 실시예 구성도;3 is a schematic diagram of another embodiment of the vibration gyroscope of the present invention in which a piezoresistive sensor is applied to a spring in the form of a curved beam;

도4A는 질화막의 취성(brittleness)이나 접합 형상에 기인해 인장력(tension)에 약한 특성을 나타낸 접합구조체의 상세도;Fig. 4A is a detailed view of a bonded structure showing weak properties in tension due to the brittleness and the bonded shape of the nitride film;

도4B는 인장에 약한 기계적 성질을 개선한 절연 접합부의 상세도이다.4B is a detailed view of an insulated joint with improved mechanical properties susceptible to tension.

* 도면의 주요 부분에 대한 세부 명칭 설명* Detailed description of the main parts of the drawing

1 : 외부구조물 2 : 제1 스프링1: External Structure 2: First Spring

3 : 빗살 전극 4 : 제2 스프링3: comb electrode 4: second spring

5, 6, 7 : 제1, 제2, 제3 앵커 8 : 절연접합체5, 6, 7: 1st, 2nd, 3rd anchor 8: insulation joint

9 : 압저항체 10 : 접지전극9 piezo resistor 10 grounding electrode

11, 12 : 센서전극 13 : 절연층11, 12: sensor electrode 13: insulating layer

14 : 금속전선 15 : 진동질량14 metal wire 15 vibration mass

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 외부구조물과, 상기 외부구조물의 내부에 구비된 진동질량과, 상기 외부구조물과 진동질량을 연결하는 보스프링을 포함하며, 상기 질량이 외부구조물에 대하여 좌우로 진동하고, 상기 외부구조물은 보스프링에 의해 상하방향으로 움직임이 가능하도록 보스프링에 의해 지지되어 있을 때, 외부로부터 평면에 수직한 축을 갖는 회전각속도가 가해지면 코리올리 힘에 의하여 구조물이 평면내에 상하방향으로 진동하도록 한 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes an external structure, a vibration mass provided in the interior of the external structure, and a boss spring connecting the external structure and the vibration mass, wherein the mass is left and right with respect to the external structure. When the external structure is supported by the boss spring so as to be able to move up and down by the boss spring, when the rotational angular velocity with an axis perpendicular to the plane is applied from the outside, the structure is moved up and down in the plane by the Coriolis force. It provides a vibrating micro gyroscope, characterized in that to vibrate.

또한, 본 발명은 상하부에 지지부가 형성되며, 상하방향으로 진동하는 외부구조물; 상기 외부구조물의 내부 중앙부에 구비되며, 가로방향으로 진동하여 외부로부터 평면에 수직한 축을 갖는 회전 각속도가 가해짐에 따라 회전속도에 비례하는 코리올리 힘을 수직방향으로 전달하는 진동질량; 상기 질량의 양측에 구비되며, 그에 가로방향 정전력을 제공하는 빗살전극; 및 상기 외부구조물의 상측 지지부 양단에 연결되며, 각기 다른 가진신호를 출력하여 진동을 발생시키도록 각각 전극이 구비된 제1 및 제2 앵커를 포함하는 진동형 마이크로 자이로스코프를 제공한다.In addition, the present invention is the upper and lower support portions are formed, the outer structure vibrating in the vertical direction; Vibration mass provided in the inner central portion of the outer structure, and transmits the Coriolis force proportional to the rotational speed in the vertical direction as a rotational angular velocity is applied to the axis of the horizontal structure and the axis perpendicular to the plane from the outside; Comb electrodes provided on both sides of the mass and providing a horizontal electrostatic force thereto; And first and second anchors connected to both ends of the upper support of the outer structure, the first and second anchors being respectively provided with electrodes to output vibration signals to generate different excitation signals.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;

도1은 평면 2자유도 진동 구조물에 압저항 센서(piezoresistive sensor)를 적용한 본 발명의 진동 자이로스코프의 일실시예 구성도; 도2는 빗살 전극 사이에 불안정성이 야기되는 원리를 설명하기 위한 개략도; 도3은 휘어진 보(beam)형태의 스프링에 압저항 센서를 적용한 본 발명의 진동 자이로스코프의 다른 실시예 구성도; 도4A는 질화막의 취성(brittleness)이나 접합 형상에 기인해 인장력(tension)에 약한 특성을 나타낸 접합구조체의 상세도; 도4B는 인장에 약한 기계적 성질을 개선한 절연 접합부의 상세도이다.1 is a configuration diagram of an embodiment of a vibration gyroscope of the present invention in which a piezoresistive sensor is applied to a planar two degree of freedom vibration structure. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of instability caused between comb teeth; 3 is a schematic diagram of another embodiment of the vibration gyroscope of the present invention in which a piezoresistive sensor is applied to a spring in the form of a curved beam; Fig. 4A is a detailed view of a bonded structure showing weak properties in tension due to the brittleness and the bonded shape of the nitride film; 4B is a detailed view of an insulated joint with improved mechanical properties susceptible to tension.

도면에서 1은 외부구조물, 1a는 지지부, 2는 제1 스프링, 3은 빗살 전극, 4는 제2 스프링, 5, 6, 7은 제1, 제2, 제3 앵커, 8은 절연접합체, 9는 압저항체, 10은 접지전극, 11, 12는 센서전극, 13은 절연층, 14는 금속전선, 15는 진동질량을 각각 나타낸 것이다.In the drawings, 1 is an external structure, 1a is a support, 2 is a first spring, 3 is a comb electrode, 4 is a second spring, 5, 6, and 7 is a first, second and third anchor, 8 is an insulating joint, and 9 Denotes a piezoresistor, 10 denotes a ground electrode, 11 denotes a sensor electrode, 13 denotes an insulating layer, 14 denotes a metal wire, and 15 denotes a vibration mass.

본 발명의 진동형 마이크로 자이로스코프는 기존 정전 용량 측정법의 단점을 극복하기 위해 압저항 물질을 이용한 측정 방법을 제안하여 감지 방향의 진동을 보의 휨 변형으로 변환하고 이를 압저항 물질을 이용해 측정할 수 있도록 하며, 또한 평면내에서 2자유도 운동이 가능한 구조를 제안하고 있으며, 이를 위해 필요한 절연접합체가 우수한 기계적 성질을 갖고 있어 외부로부터의 진동 환경에서도 견딜 수 있도록 구현한 것으로, 먼저 가진(excitation) 및 감지(sensing)의 운동이 구조물이 놓인 평면 내에 모두 존재하도록 고안된 본 발명의 마이크로 자이로스코프의 구조 및 원리를 살펴보면 다음과 같다.The vibration type micro gyroscope of the present invention proposes a measuring method using a piezoresistive material to overcome the disadvantages of the conventional capacitance measuring method, so that the vibration in the sensing direction can be converted into the bending deformation of the beam and measured using the piezoresistive material. In addition, it proposes a structure that can move 2 degrees of freedom in the plane, and it is implemented to withstand the vibration environment from the outside because the insulating joint required for this has excellent mechanical properties. Looking at the structure and principle of the micro gyroscope of the present invention is designed so that the motion of (sensing) is all present in the plane in which the structure is placed.

도1은 평면 2자유도 구조체의 구동 원리와 함께 압저항 감지의 방법을 보여준다.Figure 1 shows a method of piezoresistive sensing with the driving principle of a planar two degree of freedom structure.

사각틀 형상으로 상하부에 지지부(1a)가 형성된 외부구조물(1)의 중앙부에 사각형 구조물을 질량(15)이 구비된다. 또한, 상기 외부구조믈(1)의 상하 지지부(1a)에는 제1 내지 제3 앵커(anchor)(5, 6, 7)가 연결되며, 이 부분을 제외한 외부구조물의 모든 부분은 기판으로 부터 떠있는 상태로 되어 있다. 제1 스프링(2)는 질량(15)과 외부 구조물(1)을 연결하고 있고, 상기 제1 스프링(2)에 연장하는 제2 스프링(4)은 외부 구조물(1)과 앵커(5, 6, 7)를 연결하며 전체 구조물을 지지하고 있다. 상기 질량(1)은 그의 양측에 형성된 빗살전극(3)으로 부터 정전력을 받아 x방향으로 진동한다.The mass 15 is provided with a rectangular structure in the center of the outer structure 1 in which the support 1a is formed in the upper and lower portions in a rectangular frame shape. In addition, the first and third anchors (5, 6, 7) are connected to the upper and lower support portions (1a) of the outer structure (1), all parts of the outer structure except this portion is removed from the substrate It is in a state. The first spring 2 connects the mass 15 and the outer structure 1, and the second spring 4 extending to the first spring 2 has the outer structure 1 and the anchors 5, 6. And 7) to support the entire structure. The mass 1 vibrates in the x direction by receiving electrostatic force from the comb electrodes 3 formed on both sides thereof.

각기 다른 가진 신호가 제1 및 제2 앵커(5, 6)의 전극 (13, 14)에서 각각 출력되어 가진 전극으로 가해져 진동을 일으키는데, 이때, 상기 질량(1)은 제3 앵커(7)에 연결되어 접지 상태로 된다. 여기서, 절연접합체(8)은 제1 스프링(2)과 제2 스프링(4) 사이에 구비되어 가진 전극(13, 14)과 접지 상태의 질량(15)을 전기적으로 절연시키고, 기계적으로 결합시키는 역할을 한다. 외부로부터 평면에 수직한 회전축을 가지는 회전 각속도가 가해지면 x방향으로 가진(加振)되고 있는 질량(15)은 회전 속도에 비례하는 코리올리의 힘을 y방향으로 받는다. 이때 제1 스프링(2)은 질량(15)의 y방향 운동을 구속하고 외부 구조물에 힘을 전달한다. 힘을 받은 외부 구조물은 제2 스프링(4)의 안내에 의해 y방향으로 진동하게 된다.Different excitation signals are applied to the excitation electrodes output from the electrodes 13 and 14 of the first and second anchors 5 and 6, respectively, to generate vibrations, wherein the mass 1 is applied to the third anchor 7. Connected to ground. Here, the insulating joint 8 electrically insulates and mechanically couples the electrodes 13 and 14 provided between the first spring 2 and the second spring 4 and the mass 15 in a ground state. Play a role. When a rotational angular velocity having a rotational axis perpendicular to the plane is applied from the outside, the mass 15 excited in the x direction receives the Coriolis force proportional to the rotational speed in the y direction. At this time, the first spring 2 restrains the y-direction movement of the mass 15 and transmits a force to the external structure. The forced external structure vibrates in the y direction by the guidance of the second spring 4.

이 y방향의 진동량을 압저항 방법으로 측정하여 각속도에 비례하는 신호를 얻는다.The amount of vibration in the y direction is measured by the piezoresistive method to obtain a signal proportional to the angular velocity.

진동량 측정을 위한 압저항체(9)는 제3 앵커(7)와의 연결부위인 폴리실리콘으로 제작된 제2 스프링(4)에 보론(B)을 도핑하므로써 그 특성을 갖는다. 상기 압저항체(9)는 제3 앵커(7)와 연결되어 접지 상태에 있는 스프링(4)에서 휨 변형이 가장 큰 부분에 위치한다.The piezoresistor 9 for measuring the vibration amount has its characteristics by doping boron B to the second spring 4 made of polysilicon, which is a connection portion with the third anchor 7. The piezoresistor 9 is connected to the third anchor 7 and is located at the portion where the bending deformation is greatest in the spring 4 which is in the ground state.

도1의 확대도에 도시한 바와 같이 상기 압저항체(9)의 위치와 함께 절연막(13) 위에 있는 금속 전선(14)의 연결 및 전극의 배치를 보여준다. 상기 제2 스프링(4)에 도핑된 압저항체(9)는 가능한 제3 앵커(7)에 근접되게 위치되도록 제2 스프링(4) 폭의 가장자리에 위치하여 최대의 변형율을 측정할 수 있도록 한다.As shown in the enlarged view of FIG. 1, the connection of the metal wire 14 and the arrangement of the electrodes on the insulating film 13 together with the position of the piezoresistor 9 are shown. The piezoresistor 9 doped in the second spring 4 is located at the edge of the width of the second spring 4 so as to be as close to the third anchor 7 as possible to measure the maximum strain.

또한, 상기 제2 스프링(4)의 폭의 치수는 압저항체(9)와 금속 전선(14)의 선폭을 고려해 적정값이 되도록 한다. 감도의 개선을 위해 휨 변형을 받는 제2 스프링(4)의 양쪽 폭 가장자리에 대칭이 되도록 압저항체 센서(11, 12)를 배치하는 것도 가능하다. 구조체의 접지 전극(10)과 센서전극(11, 12)은 각각 제3 앵커(7)에 일렬로 위치되는데, 상기 센서 전극(11, 12)과 금속 전선(14)은 질화막위에 놓여 도핑된 폴리실리콘 구조체와 절연되어 있다.In addition, the width of the second spring 4 is set to an appropriate value in consideration of the line widths of the piezoresistor 9 and the metal wire 14. In order to improve the sensitivity, it is also possible to arrange the piezoresistive sensors 11 and 12 so as to be symmetrical on both width edges of the second spring 4 subjected to the bending deformation. The ground electrode 10 and the sensor electrodes 11 and 12 of the structure are respectively positioned in a row at the third anchor 7, wherein the sensor electrodes 11 and 12 and the metal wire 14 are placed on the nitride film and doped with poly It is insulated from the silicon structure.

이와 같이 본 발명의 자이로스코프는 보(beam)의 휨(bending)에 의해 얻은 큰 변형율을 압저항체(9)를 이용해 측정하므로써 센서의 감도를 개선시킬 수 있다.As described above, the gyroscope of the present invention can improve the sensitivity of the sensor by measuring the large strain obtained by bending of the beam by using the piezoresistor 9.

도1에서 보여준 자이로스코프는 y방향으로의 잡음에 영향을 받을 수 있지만, 가진 신호의 변조 주파수(modulation frequency)가 감지 신호의 대역보다 훨씬 높으므로 이 영향을 무시할 수 있다.The gyroscope shown in FIG. 1 may be affected by the noise in the y direction, but the influence of the modulation frequency of the excitation signal is much higher than the band of the detection signal.

도2는 빗살 전극에서 발생할 수 있는 불안정성의 원리를 설명하기 위한 개략도로서, 간격이 d인 두 빗살 전극(3a, 3b) 사이에 전압차 V가 인가되면 위치에너지 U는(1)FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the principle of instability that may occur in the comb teeth, and when the voltage difference V is applied between the two comb electrodes 3a and 3b having a distance d, the potential energy U is (One)

이 된다. 이때 ε는 유전율(permittivity)이고, t는 빗살 전극의 두께, l은 중첩된 빗살의 길이, n은 이동 전극(3b)의 빗살 갯수이다. 만약 d가 일정하다고 가정하면, 전극(3b)가 받는 y방향의 정전력 fy 는 빗살의 쌍에 의해 상쇄되어 0이 되고 x방향의 정전력 fx 는이 된다. 전극(3b)가 y방향으로 Δd만큼 약간 이동했다고 가정하면 x방향의 정전력은 이 되어 식(2)와 거의 차이가 나지 않지만, y방향의 정전력은 이 되어 더욱 Δd를 증가시키는 방향으로 힘을 가하게 된다. 즉 Δd가 발생하면, 두 전극(3a, 3b) 사이에 불안정성이 생겨 최악의 경우 두 전극이 붙게 된다.Becomes Where ε is permittivity, t is the thickness of the comb electrode, l is the length of the overlapped comb teeth, and n is the number of comb teeth of the moving electrode 3b. If d is constant, the constant electric power fy in the y direction received by the electrode 3b is canceled by a pair of comb teeth to be zero, and the constant electric power fx in the x direction is Becomes Assuming that the electrode 3b has moved slightly in the y direction by Δd, the electrostatic force in the x direction is It is hardly different from Eq. (2), but the electrostatic force in the y direction This results in a force in the direction of increasing Δd further. That is, when Δd occurs, instability occurs between the two electrodes 3a and 3b, and in the worst case, the two electrodes are attached.

도1의 진동 질량(15)은 x방향과 y방향으로 모두 진동하지만, 빗살 전극(3)사이의 간격을 항상 일정하게 유지할 수 있으므로 상기 빗살 전극(3)에서의 불안정성은 야기되지 않는다.Although the vibration mass 15 of FIG. 1 vibrates in both the x direction and the y direction, instability in the comb electrode 3 is not caused because the distance between the comb electrodes 3 can always be kept constant.

도3은 휘어진 제2 스프링(4)에 압저항체(9)의 특성을 가지게 한 후 제2 스프링(4)의 변형율을 측정하는 원리를 가지는 다른 실시예시도를 보여준다. 도3에 보인 바와 같이 제2 스프링(4)은 휘어진 보의 형태를 하고 있어 y방향의 코리올리 힘이 휨으로 작용해 큰 변형율이 얻어지므로 센서의 감도를 개선할 수 있다. 도1과 비교하여 볼 때, 도3의 구조는 변형율을 크게 하는 데는 한계가 있으나, 압저항체의 도핑과 금속 전선을 입히는 공정에서 치수의 제약을 받지 않는다는 장점이 있다.FIG. 3 shows another exemplary embodiment with the principle of measuring the strain of the second spring 4 after having the curved second spring 4 have the properties of the piezoresistor 9. As shown in Fig. 3, the second spring 4 is in the form of a curved beam, and the Coriolis force in the y direction acts as a warp, so that a large strain is obtained, so that the sensitivity of the sensor can be improved. Compared with FIG. 1, the structure of FIG. 3 has a limit in increasing the strain, but has an advantage of not being limited in dimensions in the process of doping a piezoresistor and applying a metal wire.

도4는 도1과 도3의 마이크로 자이로스코프에 대한 절연접합체(8)를 확대한 해서 보여주고 있으며, 이때 실리콘 구조체의 불연속 지점에 증착한 절연 재질로는 희생층 산화막의 식각 용액과 반응성이 없는 질화막을 선택한다. 절연접합체(8)의 구조가 도4A와 같을 경우에는 질화막의 취성(brittleness)이나 접합 형상에 기인해 인장력(tension)에 약한 특성을 나타낸다. 본 실시예에서는 도4A와 같은 재질과 공정을 사용하고도 위에서 설명한 약점을 보완한 구조를 제안한다. 즉, 도4B에 보인 바와 같이, 고리형의 구조는 질화막에 의한 접합 면적이 넓어서 큰 접합력을 갖고, 보가 인장을 받을 경우에도 일부 접합부는 압축을 받게 설계되어 있으므로 인장에 약한 질화막의 기계적 성질을 극복할 수 있게 되는 것이다.FIG. 4 is an enlarged view of the insulating assembly 8 for the micro gyroscopes of FIGS. 1 and 3, wherein the insulating material deposited at the discontinuous point of the silicon structure is not reactive with the etching solution of the sacrificial layer oxide film. Select the nitride film. In the case where the structure of the insulating joint 8 is the same as that of Fig. 4A, it is weak in tension due to the brittleness and the joining shape of the nitride film. This embodiment proposes a structure that compensates for the above-described weaknesses using the same materials and processes as in FIG. 4A. That is, as shown in Fig. 4B, the annular structure has a large bonding area due to the large bonding area of the nitride film, and some joints are designed to be compressed even when the beam is tensioned, thereby overcoming the mechanical properties of the nitride film that is weak in tension. You can do it.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 휨을 받는 보의 변형을 압저항으로 측정하고, 절연 접합 방식을 이용한 구조적 설계로 감지 방향의 변형을 증가시키는 방법을 통해 미세 가공 기술을 이용한 마이크로 자이로스코프의 고감도화를 이룰 수 있는 효과를 가진다.As described above, according to the present invention, the high sensitivity of the micro gyroscope using the micro-machining technique through the method of measuring the deformation of the beam subjected to bending by the piezoresistive resistance and by increasing the deformation of the sensing direction by the structural design using the insulation bonding method. Has the effect of achieving.

Claims (10)

외부구조물과,External structure, 상기 외부구조물의 내부에 구비된 진동질량과 상기 외부구조물과 진동질량을 연결하는 보스프링을 포함하며, 상기 질량이 외부구조물에 대하여 좌우로 진동하고, 상기 외부구조물은 보스프링에 의해 상하방향으로 움직임이 가능하도록 보스프링에 의해 지지되어 있을 때, 외부로부터 평면에 수직한 축을 갖는 회전각속도가 가해지면 코리올리 힘에 의하여 구조물이 평면내에 상하방향으로 진동하도록 한 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.And an oscillating mass provided inside the outer structure and a boss spring connecting the outer structure and the oscillating mass, wherein the mass oscillates from side to side with respect to the outer structure, and the outer structure moves up and down by a boss spring. A vibration type micro gyroscope, characterized in that, when supported by the boss spring, the structure vibrates up and down in the plane by a Coriolis force when a rotational angular velocity with an axis perpendicular to the plane is applied from the outside. 상하부에 지지부가 형성되며, 상하방향으로 진동하는 외부구조물;The upper and lower support portions are formed, the outer structure vibrating in the vertical direction; 상기 외부구조물의 내부 중앙부에 구비되며, 가로방향으로 진동하여 외부로부터 평면에 수직한 축을 갖는 회전 각속도가 가해짐에 따라 회전속도에 비례하는 코리올리 힘을 수직방향으로 전달하는 진동질량;Vibration mass provided in the inner central portion of the outer structure, and transmits the Coriolis force proportional to the rotational speed in the vertical direction as a rotational angular velocity is applied to the axis of the horizontal structure and the axis perpendicular to the plane from the outside; 상기 질량의 양측에 구비되며, 그에 가로방향 정전력을 제공하는 빗살전극; 및 상기 외부구조물의 상측 지지부 양단에 연결되며, 각기 다른 가진신호를 출력하여 진동을 발생시키도록 각각 전극이 구비된 제1 및 제2 앵커를 포함하는 진동형 마이크로 자이로스코프.Comb electrodes provided on both sides of the mass and providing a horizontal electrostatic force thereto; And first and second anchors connected to both ends of an upper support of the external structure, the first and second anchors being respectively provided to output different excitation signals to generate vibrations. 제 2 항에 있어서, 상기 외부구조물의 지지부와 진동질량을 연결하며, 상기 진동질량의 세로방향 운동을 구속하고 외부구조물에 힘을 전달하는 제1 스프링과, 상기 외부구조물과 제1 및 제2 앵커를 연결하며, 힘을 받은 상기 외부구조물이 세로방향으로 진동하도록 안내하는 제2 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.According to claim 2, A first spring for connecting the support and the vibration mass of the external structure, restraining the longitudinal movement of the vibration mass and transmitting a force to the external structure, and the external structure and the first and second anchor And a second spring for guiding the external structure under pressure to vibrate in a longitudinal direction. 제 2 항에 있어서, 상기 외부구조물의 상측 지지부와 제1 및 제2 앵커의 연결부위에 장착되어 전기적으로 절연시키고, 기계적으로 결합하는 절연접합수단; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.3. The apparatus of claim 2, further comprising: insulating bonding means mounted on the upper support of the outer structure and the connection portions of the first and second anchors to electrically insulate and mechanically couple to each other; Vibration type micro gyroscope further comprises. 제 4 항에 있어서, 상기 절연접합수단은 인장에 약한 기계적 성질을 개선시키기 위한 평면적인 고리 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.5. The vibratory micro gyroscope according to claim 4, wherein the insulating bonding means has a planar annular shape for improving mechanical properties that are weak in tension. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,The method of claim 2 or 3, 상기 외부구조물의 하측 지지부에 연결된 제2 스프링 양단에 배치되어 각속도에 비례하는 구조물의 상하방향 진동크기를 보의 휨 변형으로브터 측정하는 제3 앵커를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.And a third anchor disposed at both ends of the second spring connected to the lower support of the outer structure, the third anchor measuring the up and down vibration magnitude of the structure proportional to the angular velocity by the bending deformation of the beam. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제3 앵커는 상기 제2 스프링과 근접하는 부위의 제3 앵커에 연결되어 제2 스프링의 휨에 의해 얻은 진동 변형율을 측정하는 압저항체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.And the third anchor further includes a piezoresistor connected to a third anchor in a portion proximate to the second spring to measure a vibration strain obtained by the bending of the second spring. 제 7 항에 있어서, 상기 압제항체는 폴리실리콘으로 제작된 스프링에 보론을 도핑하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.The vibration type micro gyroscope according to claim 7, wherein the oppressive antibody is formed by doping boron to a spring made of polysilicon. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 외부 구조물의 지지부와 제3 앵커를 연결하도록 좌우 방향으로 배치된 보스프링을 더 포함하며, 상기 보 스프링의 소정위치에 압저항 물질을 도포하여 각속도에 비례하는 외부구조물의 상하 방향 진동 크기를 보의 휨 변형으로 측정하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.Further comprising a boss spring disposed in the left and right directions to connect the support and the third anchor of the external structure, by applying a piezoresistive material to a predetermined position of the beam spring to increase the vertical vibration of the external structure proportional to the angular velocity Vibration type micro gyroscope, characterized in that measured by the bending deformation. 제 2 항에 있어서, 상기 외부 구조물의 지지부와 제3 앵커를 연결하며, 소정각만큼 휘어진 형상으로 상하 방향에 각각 배치되는 보스프링을 더 포함하며, 상기 보스프링의 소정위치에 압저항 물질이 도포되어 각속도에 비례하는 구조물의 상하 방향 진동 크기를 휘어진 보의 변형으로 부터 측정하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.The method of claim 2, further comprising a boss spring connecting the support and the third anchor of the outer structure, each of which is arranged in the vertical direction in a bent shape by a predetermined angle, the piezoresistive material is applied to a predetermined position of the boss spring Vibration type micro gyroscope, characterized in that for measuring the vertical vibration magnitude of the structure proportional to the angular velocity from the deformation of the curved beam.
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KR100379206B1 (en) * 2000-06-02 2003-04-08 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 Capacitance-type external-force detecting device with improved sensitivity
KR100470590B1 (en) * 2002-10-12 2005-03-08 삼성전기주식회사 Microgyroscopes with suppressed translational acceleration sensing

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